新能源材料与器件专业案例库建设研究*

李 燕，李 钊，高欢欢，陈雪莲，王 磊

（西安石油大学新能源学院，陕西 西安 710065）

1 研究背景

新能源材料与器件专业是教育部2010 年新开设的战略性新兴产业紧缺专业，是教育部为促进新能源、新材料、新能源存储器件等国家战略新兴产业发展而批准成立的重要专业之一[1-2]，主要对标解决我国能源产业布局和发展中存在的系列问题。目前，为适应国家战略性新兴产业需要，培养能够系统掌握新能源材料、新能源器件设计与制造工艺、新能源系统与工程等方面的专业基本理论与基本技能的复合型人才，国内许多高校迅速设立了新能源材料与器件专业[3-4]。

新能源材料与器件专业的学科内涵较为繁杂，一般由材料、物理、化学、电子和机械等多学科交叉而形成[5-6]，特别是高层次的研究生培养，直接定位为为产业培养具有创新意识的高技能人才[5]。当前，在“碳中和”“碳达峰”战略方针引领下，社会对研究性专业人才又提出了快速上岗和迅速发展的迫切诉求，然而，国内绝大部分高校对新能源材料与器件专业研究生通识基础的培养，基本还是沿用传统工科专业相似的做法[7-9]，如开设实习实践、实验课堂和第二课堂等环节。除此之外，也有通过增设创新能力培养相关课程和各种选修、辅修课程来提升学生创新能力培养质量，然而，这些传统的需要长时间积淀思维模式和培养方法渗透的知识传递方法，在很大程度上与研究生的本科知识储配以及学习时间不匹配，严重削弱了研究生对新能源材料与器件专业学习的兴趣度和探究精神。

同时，在作者近些年的研究生教学经历中，明显感到有很大一部分研究生对新能源材料与器件专业的知识积累薄弱，理解能力受限，因此，在教学过程中培养学生快速掌握新能源材料和器件专业知识体系的建设迫在眉睫。作者结合新能源材料与器件专业研究生培养的实际情况，针对研究生知识储备与新能源研究方向不对接问题，提出了基于代表性器件的案例库建设策略，分析了案例库建设存在的问题，对代表性案例进行了主体规划。

2 案例库建设存在问题剖析

2.1 新能源材料和器件种类繁多

新能源材料与器件相关课程涵盖的内容包括新能源、新材料、节能环保和高端装备制造等国家战略性新兴产业发展所需的材料，它以能量转换与存储、光电与节能材料及器件的设计、制备与应用等为特色，以能量转换与存储、光电材料及器件的设计、制备与应用为核心，所设计的器件和材料种类繁多，这要求具有不同学科背景的研究生，比如电器、通信和计算机等，最多在研究生一年级的整个学期中快速掌握专业的理论知识体系，这是案例库建设的重要挑战。

2.2 专业知识面覆盖范围广

新能源材料与器件专业既包含材料方向的知识，又涵盖了器件方向的知识；既需要传统材料科学的理论，又需要包括电力传输知识和能源调度方面的实践认识。在知识体系上涉及物理、化学、材料、电子等多个学科，课程多而且广泛，但具体课时有限，这一矛盾对案例设置及案例推进提出了更高的要求。针对这一点，随着教学经验积累，逐步总结分析发现，研究生对新能源器件的探索能力充足，但是由于前期基本理论知识储备的薄弱，很多学生很难在短时的课堂上找到学习的兴奋点。因此，在有限的课堂上渗透基础理论知识的前提下，更关键的是以案例为指引，带领研究生开发研究和总结能力，让学生从“兴趣—知识—追求”上形成系统的理论思维能力，这是案例库建设的关键。

2.3 建设起点要求高且可借鉴案例少

新能源材料与器件专业作为国家清洁能源优先发展战略的支撑性专业，教育部要求其实验课程教学必须能够切实提升学生解决复杂工程问题的能力，因此，在新能源材料与器件专业建设过程中，企业实际面临的问题将作为专业的发展依据，那么紧密结合企业人才需求，培养能将理论应用于新能源器件开发的合格研究生成为案例库组建的重中之重。与此同时，新能源材料与器件专业作为开设时间不长的新专业，其课程案例的实施并无太多的现成经验可供借鉴，考虑到新能源材料与器件中器件的轻型廉价和易于展示的特点，可通过丰富相关课程的课堂形式再配合案例支撑，促成培养任务的推进，为案例建设定好了基调。

3 案例库组建策略及代表性案例内容

专业学位硕士研究生教学案例库是由多个案例组成，案例的质量直接决定了案例教学的效果，基于好的案例是建立案例库的基本条件，在选取编选案例时，应遵循以下策略。一是案例的真实性与原创性：案例编写遵循真实性原则，案例必须依据器件的工作原理、基本结构和发展动态等应用领域实际情况编写。二是案例的典型性与启发性：案例以问题为引领，符合时代发展的需要，应用性强，突破传统思维，按照“课题研究→新技术引进→教学案例编写→课堂教学应用”的形式，使学生了解科技最新技术发展动态。三是案例的完整性与系统性：案例的叙述要具体、特定，除了情节完整之外，应包含案例正文和案例教学指导或使用说明，注重案例内容涵盖知识的相关性及多样性，注重知识的横向和纵向联系，从而发挥现实指导作用和教学作用。

作者结合近些年新能源材料与器件专业教学实际，进行了大类资料分类与汇总，厘出了针对每种器件的代表性且可执行的案例，通过教师命题，学生查阅资料、汇总PPT 和答辩等尝试，总结归纳了以下案例。

案例一：KxMnO2·nH2O 型混合型超级电容器的设计和性能。

具有二维层状结构的KxMnO2·nH2O 材料是一种属于δ 晶型的MnO2材料，该材料在层间结构中有大尺寸K+和H2O 分子作为支柱，一方面可拓宽层间距，另一方面能够抑制锰离子向层间区域扩散，避免向尖晶石结构转变，从而有利于其层状结构的稳定性。结晶度较高的KxMnO2·nH2O 材料能够在KCl 水溶液中工作，并发生可逆的K+嵌/脱反应，使以该材料为核心的混合型超级电容器成为可能。此外，KxMnO2·nH2O 在KCl 水溶液中的放电比电容最高，但是对于其原因和该材料的其他性能没有做出系统分析。本案例通过将KxMnO2·nH2O 的设计和性能分析作为选题，对其合成方法、性能分析思路、数据评价模式等各环节进行规划和论述，最终由点及面阐明各类混合超级电容器的制备和性能分析原理。

案例二：抑制枝晶强化锂金属负极提高锂电池循环寿命。

锂金属电池是一种新型的储能器件，因其高能量密度而被广泛研究，但其锂负极的锂枝晶不可控生长，尤其是沿垂直于隔膜方向生长的锂枝晶，有刺穿隔膜造成电池短路的风险，影响锂金属电池安全性能和能量密度的提升。如何减少甚至避免垂直于隔膜方向锂枝晶生长，强化锂金属电池的安全性能依然是其高能量密度发展趋势下的关键问题。本案例拟从锂金属电池安全性角度出发，以三维多孔镍基材料调控锂金属微结构，降低有效电流密度，抑制锂枝晶生长。并深入挖掘锂电池锂枝晶生长内在动力学因素，使学生深入理解锂电池当前的安全性痛点与所学知识的关联性规律，提升学生从实际问题出发思考问题、建立模型并解决问题的能力。

案例三：钙钛矿-晶硅叠层太阳电池的结构设计方法。

钙钛矿-晶硅叠层电池成为了近几年新型太阳电池的一个热门研究方向，从理论上讲，这种电池的转换效率可以达到30%以上。尽管广泛意义的研究展现了这种叠层电池非常大的转换效率潜力，然而到目前为止，还从未有人从光学角度提出具体化的实现结构。本案例将从光学角度研究将纳米倒金字塔结构应用于钙钛矿-晶硅叠层电池，以实验层面的可行性为前提，一方面，通过在顶底电池之间添加一层透明导电氧化物，激发顶电池内部的折射率引导的导模共振陷光，有效阻隔顶层电池导波光耦合到底层电池；另一方面，通过一种典型的陷光布拉格反射层的选择性全反射实现，最终设计出一种理论转换效率更高的叠层太阳电池并阐明其设计原理。

案例四：溶液法超大面积钙钛矿厚膜的制备工艺设计。

国家能源局和科学技术部发布的《“十四五”能源领域科技创新规划》针对太阳能领域异军突起的钙钛矿型太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSCs），明确提出研制PSCs 的量产设备，研究叠层电池制备技术，研发大面积、高效率及高稳定性的PSCs 模组，这既给PSCs 领域的研究指明了前进方向，又布置了艰巨任务。实验室量级的小面积钙钛矿薄膜（＜1 cm2） 已可以通过结晶行为控制顺利获得无裸漏、均匀且全覆盖的微结构，小面积PSCs的光电转换效率已超过单结硅太阳电池，但在PSCs 模组的开发过程中，为了适应百平方厘米的尺度钙钛矿薄膜的制备，研究者针对性地推出了诸如喷墨打印、低压抽气（Low-pressure Gas Pumping，LPGP） 等方法，通过摊平钙钛矿前驱体溶液，然后干燥制备大面积钙钛矿薄膜，然而基于新工艺很难制备大面积并且均匀全覆盖的钙钛矿薄膜。考虑到溶液法具备低成本、易量产并且适合超轻器件开发的优势，本案例拟采用LPGP 技术，通过结晶行为的控制理论建设，制备20×20 cm2的CH（NH2）2PbI3（FAPbI3） 的微米级厚膜，并研究所组装的PSCs 模组的性能。

上述案例分别为超级电容器、锂离子电池和钙钛矿太阳电池3 种代表性新能源器件中的核心材料的设计和合成方法、器件组装原理和工艺以及性能分析原则等，因此，本案例库的特色在于不仅能够使研究生依据具体案例快速深入理解和掌握新能源材料和器件的种类、工作原理和基本结构，而且所选用案例紧追科研前沿，同时紧密联系生产实际，有效实现理论与实际深度融合。同时，本案例库的建设将有助于研究生理解新能源材料与器件行业的当前发展现状，强化其在纳米材料和半导体材料领域的知识积累，有效提升人才培养质量。